(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、可動部の凍結を有効に阻止することができ、始動性の向上を図る。【解決手段】弁装置４８は、排ガスが導入される導入流路５６と、前記排ガスが排出される導出流路６０と、前記導入流路５６と前記導出流路６０とが合流する合流流路６２とを備える。合流流路６２には、開閉機構６４が設けられるとともに、前記合流流路６２を構成する下部壁部８２には、前記開閉機構６４のシャフト７０に連結されるダイヤフラム７４が装着され、このダイヤフラム７４を囲繞する溝部８４は、該ダイヤフラム７４の高さよりも低い位置に設定される。【選択図】図２
2005265036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが導入される導入流路と、
前記ガスが導出される導出流路と、
前記導入流路と前記導出流路とが合流する合流流路と、
前記合流流路に設けられ、該合流流路を開放及び閉塞自在な開閉機構と、
を備え、
前記合流流路を構成する壁部には、前記開閉機構の可動部に連結される可動連結部と、
前記可動連結部を囲繞するとともに、該可動連結部の高さよりも低い溝部と、
が設けられることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
請求項１記載の弁装置において、前記溝部は、前記開閉機構の下流側に且つ前記合流流路と前記導出流路との境界近傍に設けられることを特徴とする弁装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の弁装置において、前記溝部の底位置は、前記導入流路の底位置よりも下方に配置するとともに、前記導出流路の底位置は、前記溝部の底位置よりも下方に配置することを特徴とする弁装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弁装置において、前記可動連結部は、前記開閉機構の駆動部と前記合流流路とを仕切る隔膜部材を備えることを特徴とする弁装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の弁装置において、前記弁装置は、燃料電池から使用済みの燃料ガスを排出する排ガスラインである燃料ガス排出ラインに配設されるパージ弁を備えることを特徴とする弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料電池の発電に使用された反応ガスを、排ガスとして前記燃料電池から排出する排ガスライン等に好適に設けられる弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、このような燃料電池では、発電状態が長時間継続されることで不純物が蓄積したり、アノード側電極面を水が覆い、反応ガスが十分に供給されないことにより、発電電圧が低下するという問題がある。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を維持するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量及び圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排ガスを適切なタイミングで外部に排出（所謂、パージ）する必要がある。
【０００５】
上記のパージに使用される弁機構は、排水を行うために水蒸気や水滴と常に接触しており、氷点下で使用する際に凍結するおそれがある。特に、弁機構の可動部が凍結すると、この弁機構が動作不能になってしまう。このため、可動部の解凍が行われるまで、弁機構の機能も停止しており、該解凍のために時間がかかって前記弁機構の起動が迅速に遂行されないという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている技術的思想を採用することが考えられる。特許文献１では、図４に示すように、バルブ１を構成するケース部２には、第１ポート部３ａと第２ポート部３ｂとが上下に形成されるとともに、前記第１及び第２ポート部３ａ、３ｂは、空間部４より連通している。この空間部４の下部側には、テーパ部４ａが連通している。
【０００７】
空間部４には、弁体５が進退可能に配設されている。この弁体５の平坦形状の上流側端部５ａは、第１ポート部３ａを開閉自在であり、該弁体５の先細り形状の下流側端部５ｂは、テーパ部４ａに密着して第２ポート部３ｂを開閉自在である。
【０００８】
弁体５には、上流側端部５ａ側の外周部に突部６が設けられている。この突部６の一端側とケース部２との間には、スプリング７が介装される一方、前記突部６の他端部と前記ケース部２との間には、形状記憶合金スプリング８が介装されている。形状記憶合金スプリング８の外周には、ケース部２を周回してヒータコイル９が配設されている。
【０００９】
形状記憶合金スプリング８は、設定温度以下、例えば、０℃以下では、スプリング７の付勢力に抗して第１ポート部３ａと第２ポート部３ｂとを連通し、バルブ１内に水が溜まることを阻止している。そして、バルブ１を駆動する際には、ヒータコイル９が通電されて発熱し、形状記憶合金スプリング８が設定温度以上に加熱されることにより、前記バルブ１が正常動作を行うことができる、としている。
【００１０】
【特許文献１】実開平２−６３０１５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、形状記憶合金スプリング８を設定温度以上に加熱するために、ヒータコイル９に通電しなければならない。これにより、相当の熱量が必要となって経済的ではなく、しかも始動性が低下するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、可動部の凍結を有効に阻止することができ、始動性に優れる弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る弁装置は、ガスが導入される導入流路と、前記ガスが導出される導出流路と、前記導入流路と前記導出流路とが合流する合流流路と、前記合流流路に設けられ、該合流流路を開放及び閉塞自在な開閉機構とを備えている。
【００１４】
そして、合流流路を構成する壁部には、開閉機構の可動部に連結される可動連結部と、前記可動連結部を囲繞するとともに、該可動連結部の高さよりも低い溝部とが設けられている。
【００１５】
また、溝部は、開閉機構の下流側に且つ合流流路と導出流路との境界近傍に設けられることが好ましい。
【００１６】
さらに、溝部の底位置は、導入流路の底位置よりも下方に配置するとともに、導出流路の底位置は、前記溝部の底位置よりも下方に配置することが好ましい。
【００１７】
さらにまた、可動連結部は、開閉機構の駆動部と合流流路とを仕切る隔膜部材を備えることが好ましい。
【００１８】
また、弁装置は、燃料電池から使用済みの燃料ガスを排出する排ガスラインである燃料ガス排出ラインに配設されるパージ弁を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、合流流路を構成する壁部には、可動連結部の高さよりも低い溝部が設けられており、この可動連結部に付着した水分は、前記可動連結部から前記溝部に円滑に移動する。このため、可動連結部に水分が滞留することがなく、前記可動連結部の凍結を確実に阻止することができる。これにより、弁装置は、簡単且つ経済的に構成することが可能になるとともに、始動性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る弁装置が組み込まれる燃料電池システム２０の概略構成図である。
【００２１】
燃料電池システム２０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック２２を備える。この燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池２４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート２６ａ、２６ｂが配置されており、前記エンドプレート２６ａ、２６ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００２２】
燃料電池２４は、例えば、固体高分子電解質膜２８ａの両側にアノード側電極２８ｂとカソード側電極２８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する一対のセパレータ３０、３２とを備える。アノード側電極２８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２８ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００２３】
エンドプレート２６ａには、燃料電池２４に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、反応（発電）に使用された水素ガスを、排ガスとして前記燃料電池２４から排出するための水素排出口３４ｂとが設けられる。エンドプレート２６ｂには、燃料電池２４に空気を供給するための空気供給口３６ａと、反応に使用された空気を、排ガスとして前記燃料電池２４から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。
【００２４】
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に水素含有ガスを供給する水素供給流路３８と、前記燃料電池スタック２２から排出される排ガスをパージするための排ガスラインである水素排出流路（燃料ガス排出ライン）４０とを備える。水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素タンク４２と、前記水素タンク４２から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ４４とが配設される。
【００２５】
水素排出流路４０には、本実施形態に係る弁装置４８が配設される。弁装置４８は、図２に示すように、本体部５２と駆動部５４とを備える。本体部５２には、排ガスが導入される導入流路５６と、前記排ガスを廃棄するためのパージ流路５８に該排ガスを排出する導出流路６０と、前記導入流路５６と前記導出流路６０とが合流する合流流路６２とが設けられる。導入流路５６には、網目状のフィルタ６３が装着されている。
【００２６】
合流流路６２には、この合流流路６２を開放及び閉塞自在な開閉機構６４が設けられる。合流流路６２には、弁座６６が設けられるとともに、前記弁座６６には、開閉機構６４を構成する駆動部５４の作用下に、矢印Ｂ方向に進退自在な弁体６８が着座する。
【００２７】
駆動部５４は、例えば、ソレノイド部６９を備え、このソレノイド部６９の励磁作用下にシャフト７０が軸線方向（矢印Ｂ方向）に進退変位する。シャフト７０の端部には、プランジャ７２が係合するとともに、前記シャフト７０の途上には、駆動部５４と合流流路６２とを仕切るダイヤフラム（隔膜部材）７４が装着される。プランジャ７２は、スプリング７５を介して矢印Ｂ２方向に付勢されている。
【００２８】
シャフト７０の小径端部７０ａには、弁体６８が装着される。弁体６８の下面には、環状の弾性部材７６が固着され、この弾性部材７６は、弁座６６に着座した際に弾性変形して確実なシールを行う。
【００２９】
合流流路６２において、開閉機構６４の上流側を構成する上部壁部７８には、弁体６８が矢印Ｂ２方向に移動して弁座６６を開放する際に、前記弁体６８の上端が当接するストッパ８０が矢印Ｂ１方向に膨出形成される。弁体６８の上部と上部壁部７８との間には、スプリング８１が介装される。
【００３０】
合流流路６２において、開閉機構６４の下流側を構成する下部壁部８２には、前記開閉機構６４の可動部であるシャフト７０に連結される可動連結部であるダイヤフラム７４と、前記ダイヤフラム７４を囲繞するとともに、該ダイヤフラム７４の高さよりもＨ１だけ低い周回溝部８４とが設けられる。
【００３１】
溝部８４は、合流流路６２と導出流路６０との境界近傍に設けられており、この溝部８４の底位置Ｐ１は、導入流路５６の底位置Ｐ２よりも下方に配置される一方、前記導出流路６０の底位置Ｐ３は、前記溝部８４の底位置Ｐ１よりも下方に配置されている。
【００３２】
図１に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に空気を供給する空気供給流路９０と、前記燃料電池スタック２２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、外部に廃棄するための空気排出流路９２とを備える。空気供給流路９０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）９４が設けられる。
【００３３】
このように構成される燃料電池システム２０の動作について、弁装置４８との関連で以下に説明する。
【００３４】
図１に示すように、水素タンク４２から水素供給流路３８に供給される水素ガスは、レギュレータ４４を介して所定の圧力に減圧されて燃料電池スタック２２の水素供給口３４ａに供給される。水素供給口３４ａに供給された水素は、各燃料電池２４を構成するアノード側電極２８ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口３４ｂから水素排出流路４０に排出される。
【００３５】
一方、スーパーチャージャ９４を介して空気供給流路９０に空気が供給される。この空気は、空気供給口３６ａから各燃料電池２４のカソード側電極２８ｃに供給され、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口３６ｂから空気排出流路９２に排出される。これにより、各燃料電池２４では、アノード側電極２８ｂに供給される水素と、カソード側電極２８ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００３６】
水素排出流路４０に排出された排ガスは、弁装置４８の導入流路５６に導入される。弁装置４８では、図２に示すように、ソレノイド部６９が滅勢されており、弁体６８が矢印Ｂ１方向に付勢されて、弾性部材７６が弁座６６に着座している。従って、導入流路５６と導出流路６０とは、互いに閉塞されている。
【００３７】
そこで、水素排出流路４０に進入した窒素や過剰な水分をこの水素排出流路４０から排出（パージ）する際には、開閉機構６４を構成する駆動部５４が付勢される。すなわち、図３に示すように、ソレノイド部６９の励磁作用下に、シャフト７０が矢印Ｂ２方向に変位する。これにより、シャフト７０の小径端部７０ａに装着されている弁体６８が矢印Ｂ２方向に移動し、弾性部材７６が弁座６６から離間する一方、前記弁体６８の上端がストッパ８０に当接する。
【００３８】
従って、合流流路６２が開放されて導入流路５６と導出流路６０とが連通する。このため、導入流路５６に導入された排ガスは、合流流路６２から導出流路６０を介してパージ流路５８に排出され、この排ガスに混在する窒素や水分が廃棄される。
【００３９】
この場合、本実施形態では、導入流路５６と導出流路６０とが合流する合流流路６２を構成する下部壁部８２には、開閉機構６４の可動部であるシャフト７０に連結されるダイヤフラム７４が装着され、さらにこのダイヤフラム７４を囲繞して前記下部壁部８２に溝部８４が形成されている。溝部８４は、ダイヤフラム７４の外周を周回することによって合流流路６２の下流側に比較的大きな空間を形成するとともに、前記溝部８４は、前記ダイヤフラム７４よりも高さＨ１だけ低い位置に設定されている。
【００４０】
このため、ダイヤフラム７４に付着した水分は、このダイヤフラム７４から溝部８４に円滑に移動する。従って、ダイヤフラム７４に水分が滞留することがなく、前記ダイヤフラム７４の凍結を確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００４１】
しかも、導出流路６０の底位置Ｐ３は、溝部８４の底位置Ｐ１よりも下方に設定されている。これにより、溝部８４に移動した水分は、前記溝部８４から導出流路６０に円滑且つ確実に移動して、弁装置４８から良好に排水される。
【００４２】
従って、本実施形態では、可動連結部であるダイヤフラム７４及び該ダイヤフラム７４の周辺における凍結を確実に防止することができ、簡単且つ経済的な構成で、始動性の向上を容易に図ることが可能になるという利点がある。
【００４３】
なお、本実施形態では、弁装置４８が燃料電池システム２０に組み込まれているが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る弁装置が組み込まれる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記弁装置の断面図である。
【図３】前記弁装置の動作を説明する断面図である。
【図４】特許文献１に係るバルブの断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
２０…燃料電池システム          ２２…燃料電池スタック
２４…燃料電池                  ２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
２８…電解質膜・電極構造体      ３０、３２…セパレータ
３４ａ…水素供給口              ３４ｂ…水素排出口
３８…水素供給流路              ４０…水素排出流路
４２…水素タンク                ４４…レギュレータ
４８…弁装置                    ５２…本体部
５４…駆動部                    ５６…導入流路
５８…パージ流路                ６０…導出流路
６２…合流流路                  ６４…開閉機構
６６…弁座                      ６８…弁体
７６…弾性部材                  ８２…下部壁部
８４…溝部
【図１】
2005265036.tif 000003
【図２】
2005265036.tif 000004
【図３】
2005265036.tif 000005
【図４】
2005265036.tif 000006